一维磁性纳米催化剂的制备及其有机染料降解性能研究

摘要

有机染料作为常规化学添加剂广泛应用于皮革、纺织、颜料和印刷等各个工业领域，并随工厂废水大量排放入自然环境中，大部分有机染料是直接或间接性致癌性物质，若不能及时有效地加以处理，将会给生态系统和人类健康带来严重危害。因此，如何更好地处理有机染料污染是当今社会急需解决的问题。本论文选题研究制备新型一维磁性纳米催化剂，探究其有机染料催化降解性能。具体开展了以下工作：
　　(1)以α-Fe2O3纳米棒为模板材料，采用St(o)ber法在α-Fe2O3纳米棒表面包覆SiO2层，制备出棒状形貌的α-Fe2O3@SiO2核壳型复合纳米结构，并通过在不同温度下在氢气氛围中退火，选择性的制备出Fe3O4@SiO2和Fe@SiO2两种磁性核壳型复合纳米棒。
　　(2)以AgNO3为前驱体，抗坏血酸为还原剂，Fe3O4@SiO2复合纳米棒为磁性载体，在室温条件下制备了Fe3O4@SiO2@Ag磁性纳米复合结构，系统研究了前驱体用量对Ag颗粒尺寸、形貌和分散性的影响。结果表明随着Ag前驱体用量的增加，磁性载体表面的Ag纳米颗粒有增大趋势。在分别加入0.03，0.05和0.1 mmol Ag前驱体后，所得到的Ag颗粒平均粒径分别为7.63，13.5和41.2 nm。同时发现，与单独制备的Ag纳米颗粒相比，磁性载体的引入可以明显改善Ag纳米颗粒的分散性与结晶度。催化反应显示所制备的Ag-MNRs纳米复合结构具有良好的有机染料催化活性，且降解速率随着催化材料用量的增加明显加快。磁性测量显示所制备的Ag-MNRs纳米复合结构具有良好的室温铁磁性，可以方便的通过磁铁回收再利用，循环实验发现经过5次催化反应后，产物对有机染料的催化降解率仍然高达80％。
　　(3)以AgNO3、Ni(NO3)2为前驱体，硼烷氨为还原剂，Fe3O4@SiO2复合纳米棒为磁性载体，在室温条件下制备了Fe3O4@SiO2@Ag@Ni“海参状”纳米复合结构，并利用各种测试手段对产物的物相、组分、形貌结构进行了测量表征。测量结果显示，Ag纳米颗粒均匀分散在Fe3O4@SiO2复合纳米棒上，片状Ni纳米颗粒包覆在Ag颗粒外侧，从而在整体上构成产物独特的“海参状”形貌。有机染料催化降解实验显示Fe3O4@SiO2@Ag@Ni“海参状”纳米复合结构具有良好的催化活性，优于相似条件下制备的棒状Fe3O4@SiO2@Ag纳米复合结构，我们认为这可能是因为Fe3O4@SiO2@Ag@Ni“海参状”纳米复合结构独特的形貌使催化材料与有机染料之间有更充分的接触空间，有利于催化反应的进行，Ag@Ni核壳型结构使Ag、Ni纳米颗粒界面间的电子能带结构因配位和应力作用发生改变，有利于改善材料的电子转运能力，从而提高催化活性。磁性测量显示所制备的Fe3O4@SiO2@Ag@Ni“海参状”纳米复合结构具有优秀的磁响应能力，具备良好的回收再利用性能，在经过6次循环反应后，产物对有机染料仍有81.5％催化降解率。
　　(4)以Cu(NO3)2为前驱体，抗坏血酸为还原剂，Fe@SiO2复合纳米棒为磁性载体，在80℃条件下制备了Fe@SiO2@Cu棒状纳米复合结构，并利用各种测试手段对产物的物相、组分、形貌和结构进行了表征。结果显示高分散性、结晶良好的Cu纳米颗粒成功负载于Fe@SiO2磁性载体之上。我们通过对比试验发现当加入的Cu前驱体分别为0.01 mmol和0.03 mmol时，所得到的Cu颗粒尺寸分别为10nm和33 rnm.催化反应实验显示，所制备的两种Fe@SiO2@Cu棒状纳米复合结构均具有良好的染料催化活性，对活性红的催化降解速率常数分别为0.316 m-1和0.20 m-1。磁性测量显示Fe@SiO2@Cu-0.01和Fe@SiO2@Cu-0.03两种棒状纳米复合结构均表现出优秀的磁响应能力，其饱和磁化强度分别达到107emu/g和89 emu/g，远高于报道过的磁性纳米催化材料。产物循环反应实验显示，在经过5次催化反应后，Fe@SiO2@Cu-0.01和Fe@SiO2@Cu-0.03磁性催化剂仍保持较高的催化效率，具备良好的循环利用性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 磁性纳米颗粒

1．2．1 磁性简介

1．2．2 磁性纳米颗粒的微观特性

1．2．3 磁性纳米颗粒的制备方法

1．3 核壳型纳米复合结构

1．3．1 核壳型二氧化硅纳米复合结构

1．3．2 核壳型磁性颗粒／二氧化硅纳米复合结构

1．4 磁性纳米催化材料

1．4．1 磁性纳米催化材料的分类

1．4．2 磁性纳米催化材料在环境治理方面的应用

1．5 本论文的选题目的及研究内容

参考文献

第二章 Fe2O3@SiO2氢气还原法制备Fe3O4@SiO2及Fe@SiO2核壳型复合纳米棒

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料、药品和设备

2．2．2 Fe3O4@SiO2与Fe@SiO2核壳型复合纳米棒的制备

2．2．3 产物的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 模板法制备α-Fe2O3@SiO2核壳型复合纳米棒

2．3．2 磁性Fe3O4@SiO2核壳型复合纳米棒的制备与表征

2．3．3 Fe@SiO2核壳型复合纳米棒的制备与表征

2．3．4 Fe3O4@SiO2与Fe@SiO2核壳型复合纳米棒的磁性能

2．4 本章小结

参考文献

第三章 Fe3O4@SiO2@Ag棒状纳米复合结构的制备及其催化降解有机染料研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料、药品和设备

3．2．2 Ag-MNRs纳米复合结构的制备

3．2．3 催化反应实验

3．2．4 产物的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 Ag-MNRs纳米复合结构的物相分析

3．3．2 Ag-MNRs纳米复合结构的形貌分析

3．3．3 Ag-MRNs纳米复合结构的组分分析

3．3．4 Ag前驱体用量对Ag-MNRs纳米复合结构形貌的影响

3．3．5 Ag-MNRs纳米复合结构的有机染料催化降解性能

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Fe3O4@SiO2@Ag@Ni“海参状”纳米复合结构的制备及催化降解罗丹明B研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料、药品和设备

4．2．2 Fe3O4@SiO2@Ag@Ni“海参状”纳米复合结构的制备

4．2．3 催化反应实验

4．2．4 产物的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 Fe3O4@SiO2@Ag@Ni“海参状”纳米复合结构的物相分析

4．3．2 Fe3O4@SiO2@Ag@Ni“海参状”纳米复合结构的形貌分析

4．3．3 Fe3O4@SiO2@Ag@Ni“海参状”纳米复合结构可能的形成机理

4．3．4 Fe3O4@SiO2@Ag@Ni“海参状”纳米复合结构的磁性能

4．3．5 Fe3O4@SiO2@Ag@Ni“海参状”纳米复合结构的RhB催化降解性能

4．4 本章小结

参考文献

第五章 Fe@SiO2@Cu棒状纳米复合结构的制备及催化降解活性红研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验原料、药品和设备

5．2．2 Fe@SiO2@Cu棒状纳米复合结构的合成

5．2．3 催化反应实验

5．2．4 产物的表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 Fe@SiO2@Cu棒状纳米复合结构的物相分析

5．3．2 Fe@SiO2@Cu棒状纳米复合结构的形貌分析

5．3．3 Fe@SiO2@Cu棒状纳米复合结构的磁性能

5．3．4 Fe@SiO2@Cu棒状纳米复合结构的活性红催化降解性能

5．4 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 论文的主要内容与结论

6．2 论文的特色与创新

6．3 展望

致谢

攻读博士期间发表及将要发表的学术论文

参加的学术会议